UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À RIMOUSKI
CHEV AUCHEMENT DES FEUX DANS
LA TAIGA DU QUÉBEC
MÉMOIRE
PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À RIMOUSKI
Comme exigence partielle
du programme de maîtrise en gestion de la faune et de ses habitats
PAR
JESSIE HÉON
MAI 2010
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À RIMOUSKI Service de la bibliothèque
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11
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier spécialement mon directeur de recherche, Dominique Arseneault,
pour sa très grande disponibilité, ses précieux conseils, son enthousiasme de même que
pour la confiance qu'il m'a accordée tout au long de ce projet. Je remercie également Alain
Caron pour l'aide technique et statistique apportée au cours des dernières années . Je tiens
aussi à remercier Martin-Philippe Girardin pour l'aide fournie lors du calcul de l' indice de
sécheresse, ainsi que pour ses commentaires sur le présent mémoire. Je remercie également
Luc Sirois pour les commentaires formulé sur mon mémoire et pour avoir accepté de
présider l'évaluation de ce dernier.
Je souhaite aussi remercier ceux qui ont contribué au projet par leur assistance en
laboratoire ou sur le terrain: Pierre-Yves l'Héreault, Élizabeth Tremblay, Benjamin Dy,
Raphaële Terrail, Charlotte Gilbert, Yannick Neveu, Anne-Marie Labrecque, Valérie
Hébert Gentile et Marie Legatelois. Aussi, un merci spécial à la localité de Radisson pour le
prêt d ' une maison lors des étés de terrain. Finalement, j'aimerais remercier mon mari,
Sébastien Guénard, ma famille ainsi que mes amis pour le support moral apporté tout au
long de mes études universitaires . Ce projet a été réalisable grâce au support financier du
Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), du
Programme de formation scientifique dans le Nord (PFSN), du Centre d 'études nordiques
(CEN) et du Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT).
III
RÉsUMÉ
La forêt boréale nord-américaine est fortement affectée par des feux de cimes récurrents, généralement très sévères et très grands. Le patron de chevauchements des feux , qui est à la fois tributaire de la taille des feux et de la durée des intervalles de temps entre les feux successifs, influence grandement la dynamique, la structure et la composition des paysages boréaux. Cependant, la taille des feux et les intervalles de feux ont rarement été considérés explicitement, en raison de la difficulté de les mesurer ensemble pour de grands territoires pour une échelle temporelle équivalente au cycle de feux. La présente étude a permis de reconstituer le patron de chevauchements de feux (incluant la taille, les intervalles de feux et le cycle de feux) dans la taïga occidentale québécoise pour les derniers 200 ans à partir d'un échantillonnage intensif de cicatrices de feux le long d'un transect nord-sud de 196 km. Le régime des feux a été caractérisé par des feux extrêmement grands survenus de façon récurrente. Les distances brûlées par les feux se sont considérablement accrues au XXe siècle, en raison de sécheresses extrêmes en 1922, 1941 et 1989. Le cycle de feux qui était d'environ 100 ans entre 1810 et 1909 s'est accéléré subitement vers 1910-1920 pour se stabiliser par la suite autour d'une valeur de 50 ans . Conséquemment, la fréquence des intervalles de feux courts (de moins de 50 ans) s'est accrue considérablement, ce qui a vraisemblablement augmenté l'abondance du pin gris (Pinus banksiana Lamb.) aux dépens de l'épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP). Notre étude a aussi permis de déterminer que le risque de blûler augmente avec le temps après-feu pour au moins une cinquantaine d'années, à cause de l'accumulation des combustibles. L'âge-dépendance du risque de brûler a été plus forte et plus variable au XXe qu'au XIXe
siècle en raison de la plus forte abondance des jeunes peuplements qui sont susceptibles de ralentir la propagation des feux.
T ABLE DES MATIÈRES
REMERCIEMENTS ...... ........... ... ... ... ... ... .. ..... ... ............ .... .. ... ..... .. .. .... ....... .... .. ....... ........... ii
RÉSUMÉ ...... .... .... .. .. ..... ......... ........ ... ....... .. ... ... ........................ .. ........ ............... ................ iii
LISTE DES TABLEAUX ........... ..... .... ... .. ..... ... .. .. ....... .. .................. ............ ........... ........... vi
LISTE DES FIGURES ...... .... ............... ... ... .... .. .... ... ........ ..... ..... ............. ... .... ... ................ vii
INTRODUCTION GÉNÉRALE .. ... ......... .. ............. ..... ...... ....... .. .. ...... ... .. .. ..... ...... .......... .... 1
CHAPITRE 1. ...................... ...... ...... ... ........ .... ..... ..... .... ..... ........... ..... ............ ....... ............. . Il
INTRODUCTION ............. ... .... ........ .... ...... ....... .. .......... .. .... ........... ...... .. .. .... ......... ..... ....... 11
CHAPITRE II .... ... ........ .... ....... ......... ...... ... ........ .. .. ...... ...... .................................... ............ 16
MATÉRIEL ET MÉTHODES .. .. .... ..... ......... .... ... ..... .. .... .. .............. .. .... ................ .... ..... .... 16
1.1 Région d' étude ..... ... .......... ......... ........... ... ... .. .... ... ............ ... .... .. ... ......... ... .. ........... ... 16
1.2 Acquisition des échantillons et des données ... .. ................. ............................ .... ...... 19
1.3 Description du régime de feux .. .. .. ......... ........ ........... .... .... .. .... ..... ........ ....... ..... ....... . 23
1.4 Indice de sécheresse ....... ....... ...... ..... ............. .. ....... .... ............. ....... ....... ..... ........ .. .... 27
CHAPITRE III ..... .. ........ .. ..... .. ........ ........ ......... ..... .. ..... ... .. .............. ..... .. ... ..... ...... ... ........ ... 28
RÉSULTATS ... ...... ..... .................. .. ....... .. .......... .... ................... .. .. ...... .. ... ...... ..... ............ ... 28
CHAPITRE IV ... ...................................................... ................ .. ........................ ...... ... ....... 42
DISCUSSION .... ... .. .... ......... ............... ........... .. ... .... ... .... ....... ...... ....... .... .. .... ... ...... ......... ... . 42
3.1 Taille des feux et cycle de feux dans un contexte de changements climatiques .... . .42
v
3.2 Limitation du risque de brûler par l'âge du combustible dans un contexte de
changement climatique .... ...... ................................... ... ......... ...... ... ...... ....... .... ... ....... .. .. .48
3.3 Limites de notre approche ... .... ... .. ... ... ..... ... ....... ... ......... .. .... ...... .... .... .......... ... .... ...... 51
CONCLUSION GÉNÉRALE ..... ... ...... ...................... ...... ..... ... ..... ........... .......................... 56
RÉFÉRENCES ........... .. ... .... .... .. .......... .. .................. ... .... ........ ... ........ .. .. ....... .. ... ....... ....... .. 58
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1-1 : Traits d 'histoire de vie de l'épinette noire et du pin gris ............... ..... ......... .. 3
Tableau 1 : Raréfaction de l'info rmation sur les années de feu et sur la densité des
cellules et des segments incendiés en fonction de l'ancienneté des périodes de 50 ans .... 23
VI
Tableau 2: Nombre d 'échantillons en fonction de leur état (mort ou vivant) et de leur
nombre de cicatrices de feux le long du transect de 196 km (PIG = 1373, EPN = 200 et
MEL = 22) ...... ..... ..... ..... .. ..... .......... .. ...... ... .... ...... ...... .. .... ........ ....... .......... .. ... ... ... ......... ... ... 29
Tableau 3: Caractéristiques des 10 plus grands feux le long du transect de 196 km ..... . 31
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1: Implications théoriques des distributions exponentielle négative et Weibull
selon que le taux de risque de brûler est âge-indépendant ou âge-dépendant (a) . Les
implications sur la structure d'âge du paysage (b), sur la fréquence des intervalles de feux
(c) et sur l'abondance et la taille des plaques de chevauchements de feux (d) sont illustrées
séparément. Les réponses anticipées de la composition de la forêt en pin gris (PIG) et en
épinette noire (EPN) sont aussi indiquées en (d). La distribution exponentielle négative
implique une majorité de sites sans PIG et EPN à cause d'une grande fréquence d'intervalles
trop courts pour permettre la formation de banques de graines, alors que la distribution
Weibull implique une dominance de sites avec les deux espèces ......... .... ... ... ......... ... .... ... l0
Figure l : Localisation de la région d'étude (Baie de James, Québec, Canada), ainsi que du
dispositif d' échantillonnage .. .. ..... ... .... .. ... .. ....... ... ...... ..... .......... ............. .................... ....... .. 17
Figure 2 : Feux survenus le long du transect de 196 km entre 1620 et 2008. Chaque trait
horizontal représente un feu confirmé dans une cellule de 2 km2. La zone grise avant
1810 représente la période pour laquelle les données ne sont pas considérées dans la
plupart des analyses en raison de la raréfaction de l'information en remontant dans le
temps (voir le tableau 1) .. .... ....... .. ....... ..... ... .... ... .... .. .. ..... ..... .... ... .......... .... .. ........... ........... 32
Figure 3 : Nombre d'années de feu (a) et nombre de cellules brûlées par décennie (b) et
log du nombre de cellules brûlées par année au long du transect étudié. Le trait vertical
pointillé indique l' année de 1810 à partir de laquelle on estime que la plupart des feux ont
été détectés dans chaque cellule ............................................. ...... ... .... ........... .. ............... ... 33
Vlll
Figure 4 : Indice mensuel de sécheresse pour le mois de juillet calculé selon la méthode
de Girardin et Wotton (2009). Pour chaque armée, l'indice représente la moyerme des
valeurs calculées pour 24 cellules de 0,5 degrés de latitude par 0,5 degrés de longitude
entre 52 et 54 degrés de latitude N. et 76 et 79 degrés de longitude O. Les ronds noirs
réfèrent aux feux qui ont couvert plus de lO kilomètres entre 1901 et 2002 .... ..... ..... ....... 34
Figure 5: Cycle de feux calculé pour des périodes de 50 ans décalées de 1 an. Le cycle
de feux pour chaque armée correspond à la période se terminant à cette date. Le trait fin
correspond aux dormées brutes et le trait épais aux dormées corrigées ............ ................. 35
Figure 6 : Distributions de fréquences depuis le dernier feu (a) et des intervalles de feux
(b) pour l'ensemble des cellules et des armées pour les périodes 1810-1909 et 1910-
2008 . ......................... . .... . .......... ....... . .. . .. . .. . .... ... .. . ........ .. ... . .......... . ..... 36
Figure 7 : Distributions de fréquences du temps depuis le dernier feu pour des périodes
de 50 ans sélectionnées. Les distributions sont établies à partir du temps depuis le dernier
feu pour chaque armée de chaque période dans chaque cellule de 2 km2. Les distributions
de la rangée du haut (a, b, c) caractérisent le régime de feux de la période 1808-1909,
celles de la rangée du bas (g, h, i) caractérisent le régime de la période 1910-2008, alors
que celles de la rangée du centre (d, e, f) caractérisent la période de transition entre les
deux régimes. La flèche oblique dans la rangée centrale indique la propagation du creux
des classes d 'âge à la suite de la faible occurrence de feux entre 1860 et 1909 ....... ... ...... 38
Figure 8 : Évolution des paramètres b et c du modèle Weibull ajusté aux distributions de
fréquences du temps depuis le dernier feu selon des périodes de 50 ans décalées de 10
ans. L'enveloppe grise autour des courbes représente l'intervalle de confiance de
l'estimation des paramètres (95%). La trame grise verticale indique les périodes qui
chevauchent les deux régimes de feux (i.e. périodes de 1880-1929 à 1910-1959) et pour
lesquelles les valeurs des paramètres peuvent difficilement être interprétées ..... ........... .. .40
Figure 9: Survivance (a) et taux de risque de brûler (b) des peuplements en fonction du
temps écoulé depuis le dernier feu pour des périodes de 50 ans décalées de 10 ans. Pour
chaque période, la fonction de survivance a été estimée en ajustant un modèle Weibull à
deux paramètres à la distribution du temps depuis le dernier feu (voir la figure 7). Les
fonctions de taux de risque ont été calculées à partir des deux paramètres Weibull de
chaque période (voir la méthode). Les périodes de 50 ans qui chevauchent les deux
régimes de feux (i.e. périodes de 1880-1929 à 1910-19599) ont été ignorées ... .... .. ...... .. .41
IX
INTRODUCTION GÉNÉRALE
La forêt boréale est l'un des biomes les plus étendus du globe (Johnson 1992), elle
comprend près de 30 % de la phytomasse terrestre mondiale (Bailey 1996). En Amérique
du Nord, la forêt boréale forme une ceinture continue entre les degrés de latitude 45 et 65
nord dans laquelle l'activité des feux de forêt est très importante (Rowe et Scotter 1973,
Johnson 1992, Bergeron et al. 2001). La majeure partie des feux atteignent la cime des
arbres et sont de grande intensité et certains couvrent de très grandes superficies (Bergeron
et Brisson 1990, Johnson 1992, Arseneault 2001, Stocks et al. 2003). Un seul feu peut
brûler une aire supérieure à 4 000 km2 (Stocks et al. 2003), de sorte que les feux les plus
grands contribuent démesurément au total des surfaces brûlées (Stocks et al. 2003). La
portion nord de la forêt boréale, la taïga, est celle où l'activité des feux est la plus
importante (Amiro et al. 2001, Stocks et al. 2003). Au Québec, la taïga jamésienne
constitue la région où les feux brûlent les plus grandes superficies.
Dans la taïga, le régime des feux a un impact majeur sur la composition, la
distribution et la densité de la végétation (Payette et al. 1989, Arseneault 2001 , de Groot et
al. 2003, Parisien et Sirois 2003, Le Goff et Sirois 2004, McKenzie et al. 2004, Duros
2005, Brown 2006). Dans la taïga du nord du Québec, les deux espèces arborescentes les
plus abondantes sont l'épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP) et le pin gris (Pinus
banksiana Lamb.). Ces deux espèces sont capables de se rétablir rapidement dans les sites
2
incendiés (Beaufait 1960, Viereck 1983, Foster 1985) à cause de leurs cônes sérotineux qui
protègent les graines de la chaleur et les libèrent massivement après-feu (Johnson 1992,
Frelich 2002, de Groot et al. 2003). Comme les peuplements purs ou mixtes de pins et
d'épinettes se rétablissent dans les 5 à 10 ans suivant les feux de cimes (Meunier 1999,
Gutsell et Johnson 2002), le paysage est formé d'une mosaïque de cohortes d'arbres ayant
le même âge (Johnson 1992). L'épinette noire atteint la maturité sexuelle plus tardivement
que le pin (environ 40 ans versus 10 ans) (Cayford et McRae 1983, Caron et Powell 1989)
et est donc plus sensible que le pin gris aux intervalles courts provoqués par des
chevauchements fréquents entre les feux de cimes successifs (Cogbill 1985 , Johnson 1992,
Frelich 2002). Par contre, l'épinette noire a une longévité moyeIU1e plus élevée que celle du
pin gris; environ 250 ans contre 150 ans (de Groot et al. 2003, Le Goff et Sirois 2004). Des
feux de cimes sévères à intervalles de 20 à 120 ans permettent généralement au pin gris de
demeurer dans le paysage forestier (Frelich 2002). Par un raisonnement similaire, il est
généralement assumé que de longs intervalles entre les feux ne permettraient pas au pin de
subsister dans le paysage (Pinard 1999, de Groot et al. 2003, LeGoff et Sirois 2004) bien
que ceci n'ait pas été clairement démontré. Inversement, l'épinette noire peut subsister en
l'absence de feu, puisqu'elle peut aussi se multiplier par marcottage, que ses cônes
relâchent tout de même une partie des graines chaque aIU1ée sur une base régulière en
l'absence de feu et qu'elle peut tolérer l'ombre (de Groot et al. 2003) .
3
Tableau 1.1. Traits d'histoire de vie de l' épinette noire et du pin gris
» Epinette noire Pin gris Référence
Cônes Semi-sérotineux Sérotineux Johnson 1992, Frei ich 2002, de Groot el al. 2003
Longévité moyenne 250 ans 150 ans De Groot el al. 2003 , Le Goff et Si ro is 2004
Maturité sexuelle 40 ans 10 ans Cayford et McRae 1983 , Caron et Po well 1989
Dans la forêt boréale, le cycle de feux est généralement plus court que la longévité
des espèces dominantes, ce qui permet de conserver la même composition végétale après-
feu (Johnson 1992), car les cônes des arbres tués par le feu contiennent encore des graines
viables pouvant recoloniser les surfaces incendiées. Par exemple, le cycle de feux dans la
taïga occidentale du Québec serait autour de 100 à 115 ans (Payette et al. 1989, Parisien et
Sirois 2003), une valeur qui permet la coexistence du pin gris et de l'épinette noire. Un
changement de la fréquence des feux pourrait affecter l'abondance des espèces. Un cycle de
feux plus long pourrait privilégier l'épinette noire, alors qu'un cycle de feux plus court
pourrait entraîner une pinédisation de la région (Bess ie et Johnson 1995, Lavoie et Sirois
1998, Thompson et al. 1998, Lesieur et al. 2002, de Groot et al. 2003, Le Goff et S irois
2004, Johnstone et Chapin 2006).
Les paramètres les plus couramment employés pour décrire les régimes des feux sont
l'intervalle, la fréquence et le cycle de feux (période de rotation) . L' intervalle de feux est
déterminé par le nombre d' années entre deux feux successifs en un site donné. La
fréquence et le cycle de feux sont plutôt des concepts qui s' appliquent à de grands
4
paysages. La fréquence de feux se définit comme la portion brûlée du territoire par année,
alors que le cycle de feux représente le nombre d'années requises pour brûler une superficie
égale à celle de l'aire d'étude (Heinselman 1973 , Johnson 1992, Johnson et Gutsell 1994,
Frelich 2002).
Le cycle de feux est la principale mesure employée pour décrire le régime de feux à
l'échelle des paysages dans la forêt boréale. Son estimé peut se faire à l'aide d ' une carte
des surfaces incendiées à différentes dates, lesquelles sont établies à partir de
l' interprétation de photographies aériennes, de divers documents historiques et de la
datation de l'âge des feux et des peuplements issus des feux par la dendrochronologie
(Heinselman 1973, Payette et al. 1989, Foster 1983, Parisien et Sirois 2003). Les contours
des peuplements d'origine sont délimités par photo-interprétation et par une validation sur
le terrain. Les dates d'origine des peuplements sont obtenues en datant l'âge des arbres les
plus vieux (souvent les plus hauts et les plus gros). Lorsque des cicatrices de feux sont
présentes, elles peuvent servir à confirmer les dates d'établissement des cohortes. En
connaissant le nombre d'années couvertes par l'étude de même que la superficie totale
incendiée, la fréquence et le cycle de feux peuvent être calculés. Pendant la durée du cycle
de feux , certains secteurs peuvent brûler plus d' une fois alors que d'autres sont épargnés
(Heinselman 1973). Bien que cette méthode ait l'avantage de bien considérer l'extension
des feux récents sur un grand territoire, elle ne tient pas compte explicitement des
chevauchements entre les feux et ne permet pas de voir les feux plus anciens. Par exemple,
si on calcule le cycle de feux à partir du total des superficies incendiées pendant un
5
intervalle de temps donné, on risque de sous-estimer le cycle de feux sIon ne peut
comptabiliser deux fois les surfaces incendiées à deux repnses pendant l'intervalle en
question.
Une autre méthode, couramment employée pour estimer le cycle de feux, est celle dite
du temps depuis le dernier feu qui vise à mesurer le taux de feux à partir de la distribution
des classes d'âge dans le paysage (Van Wagner 1978, Johnson 1979, Heinselman 1981,
Johnson et Van Wagner 1985, Johnson et Gutsell 1994, Huggard et Arseneault 1999). Cette
distribution repose sur la carte des peuplements forestiers issus des feux ( << stand origin
map »). Pour calculer les paramètres du régime de feux (cycle, fréquence) à partir de la
distribution des classes d'âge sans avoir à reconstituer 1 'histoire récente des feux , il faut
choisir un modèle paramétrique de distribution de fréquence qui décrit la survivance des
peuplements en fonction du temps après-feu. Ce modèle permet de déduire le taux de risque
de brûler à partir de la survivance des cellules. Le taux de risque de brûler représente la
probabilité, par unité de temps, qu'une parcelle de forêt brûle pour un âge donné. Le risque
de brûler peut être constant ou non en fonction de l'âge des peuplements forestiers. Si le
taux de risque de brûler est indépendant de l'âge des forêts (c.-à-d. constant avec l'âge) , la
distribution de fréquence de l'âge des sites doit être modélisée par une courbe exponentielle
négative (Van Wagner 1978, Johnson et Van Wagner 1985). Si le taux de risque de brûler
augmente avec l'âge du peuplement, la distribution de fréquence de l'âge des sites décroît
selon une courbe sigmoïde qui peut être modélisée par la distribution de Weibull (Johnson
1979, Johnson et Van Wagner 1985). La distribution de fréquence exponentielle négative
6
est un cas particulier de la distribution Weibull où le paramètre c est égale à un (Johnson et
Van Wagner 1985, Johnson et Gutsell 1994). Avec chaque modèle, il faut ajuster une
courbe théorique aux distributions observées. Le cycle de feux est alors estimé à partir des
équations décrivant les modèles ajustés. Par exemple, avec le modèle exponentiel négatif,
le cycle de feux est égal à l'âge moyen des peuplements (Van Wagner 1978).
Il est à noter que pour estimer le cycle de feux avec l'un ou l'autre des modèles de
distribution de fréquence, les postulats relatifs à chaque modèle doivent être respectés .
Ainsi, la fréquence de feux ne doit pas changer en raison de changements climatiques, de
modifications des activités (ex. suppression des feux, exploitation forestière) ou encore de
paramètres spatiaux tels que la latitude ou la topographie (Johnson et Van Wagner 1985,
Johnson 1992, Huggard et Arseneault 1999). La constance ou non de la fréquence de feux
peut être vérifiée graphiquement. Quand la distribution du taux de risque de brûler des
peuplements est reportée sur un graphique semi-Iogarithmique et que le graphique résu ltant
donne une droite, la fréquence ne varie pas (Johnson 1992, Frelich 2002). Par contre, une
césure montre une modification de ce paramètre au cours du temps ou en fonction d'un
paramètre spatial (Johnson 1992, Frelich 2002). Si une césure est observée, un calcul de la
fréquence doit être réalisé avant et après celle-ci (Frelich 2002). Des méthodes statistiques
ont également été développées pour estimer les différentes fréquences de feux dans le
temps et dans l'espace et pour tester si celles-ci sont significativement différentes (Reed et
al. 1998, Reed etJohnson 2004).
7
Les deux modèles de distribution (exponentiel vs Weibull) sont couramment
employés. Dans l' est et le centre de l'Amérique du Nord, on a généralement assumé que les
peuplements ont une probabilité constante d' être incendiés peu importe leur âge, de sorte
que l' on a utilisé le modèle exponentiel négatif pour décrire la survivance des classes d'âge
dans le paysage (Bergeron 1991 , Johnson 1992, Bergeron et al. 200 1, Frelich 2002,
Parisien et Sirois 2003). Dans l'ouest du Canada et des États-Unis, la distribution de type
Weibull est beaucoup plus utilisée (Johnson 1979, Johnson et Larsen 1991, Swetnam et
Baisan 1996, Grissino-Mayer 2004). En Suède, dans la forêt boréale, il a été montré que les
jeunes peuplements « 20 ans) ont une probabilité très faible d'être incendiés et que cette
probabilité augmente entre 20 et 50 ans pour se stabiliser dans les peuplements plus vieux
(Schimmel et Granstrom 1997).
Ces modèles de survivance des classes d'âge ont des implications théoriques qU I
diffèrent entre eux (Figure 1.1). Le modèle de distribution exponentielle négative, qUI
assume qu' à partir d ' un âge très jeune tous les peuplements ont la même probabilité de
brûler, implique que la représentation des peuplements survivants (% du paysage) de même
que l' abondance des intervalles de feux de durée t diminuent exponentiellement avec le
temps depuis le dernier feu (Van Wagner 1978, Johnson et Van Wagner 1985). De l' autre
côté, l'emploi du modèle de distribution Weibull , qui assume que la probabilité d ' un
peuplement d'être incendié augmente avec son âge (Johnson et Rowe 1977 , Johnson 1979,
Johnson et Van Wagner 1985, Johnson et GutseU 1994, Frelich 2002), implique que la
proportion de survivants dans le paysage diminue avec le temps depuis le dernier feu selon
8
une courbe sigmoïde, alors que l'abondance des intervalles de feux de durée t est maximale
pour un temps intermédiaire depuis le dernier feu . Puisque la présence ou l'absence de
l' épinette noire et du pin gris dépend de l'intervalle de feux, l'abondance de ces deux
espèces ne serait pas la même selon le modèle de distribution de fréquence employé (Figure
1.1) .
La méthode du temps depuis le dernier feu ne permet pas de savoir où, quand et à
quels intervalles de temps les feux se sont chevauchés ni où des plaques d'intervalles de
telles ou telles durées et superficies ont été créées dans le paysage. En d'autres mots, cette
méthode n'est ni chronologiquement ni spatialement explicite, car elle ne permet pas de
reconstituer le patron de chevauchements des feux .
Pourtant, le patron de chevauchements des feux peut avoir des répercuss ions
impOltantes sur la mosaïque forestière (Johnson et Larsen 1991, Weir et al. 2000,
Johnstone et Chapin 2006). Les plaques de chevauchements des feux, qui définissent
l'occunence des intervalles de feux, peuvent renseigner sur la composition forestière en un
endroit donné. Des chevauchements fréquents pourraient favoriser les espèces pyrophytes
et défavoriser les espèces moins résistantes aux feux et plus longévives. La taille et la forme
des plaques des peuplements forestiers pourraient bien être définies par la taille et la forme
des plaques de chevauchements entre les feux. La documentation du patron de
9
chevauchements sur un territoire pourrait aider à mIeux comprendre les patrons de
végétation.
L'objectif général de cette étude est de reconstituer le patron de chevauchements des
feux des deux derniers siècles dans la région de la Baie de James à partir d' un
échantillOlmage de cicatrices de feux le long d'un transect nord-sud de 196 km. Plus
précisément, la présente étude vise à : 1- reconstituer la taille des feux et vo ir l'incidence de
la taille sur le cycle de feux; 2- reconstituer les intervalles de feux pour voir comment le
temps depuis le dernier feu a influencé le risque de brûler; 3- voir comment la taille des
feux et les intervalles de feux ont influencé la structure d'âge des peuplements dans le
paysage; 4-vérifier si la fréquence des courts intervalles de feux s'est accru dernièrement tel
que le suggère l'augmentation récente de l'abondance de pins gris (Lavoie et Sirois 1998;
LeGoff et Sirois 2004).
a) Taux de risque de brûler
b) Probabilité d'occurence dans le paysage
c) Probabilité d'occurrence dans le paysage
d) Abondance et taille des plaques de chevauchements
Exponentielle négative ( c=l)
Temps depuis le dernier feu
Temps depuis le dernier feu
Intervalle de feu
Intervalle de feu
10
Weibull (c>l)
Temps depuis le dernier teu
Temps depuis le dernier feu
Intervalle de feu
Intervalle de feu
Figure 1.1. Implications théoriques des distributions exponentielle négative et Weibull selon que le taux de risque de brûler est âge-indépendant ou âge-dépendant (a). Les implications sur la structure d'âge du paysage (b), sur la fréquence des intervalles de feux (c) et sur l'abondance et la taille des plaques de chevauchements de feux (d) sont illustrées séparément. Les réponses anticipées de la composition de la forêt en pin gris (PIG) et en épinette noire (EPN) sont aussi indiquées en (d). La distribution exponentielle négative implique une majorité de sites sans PIG et EPN à cause d'une grande fréquence d'intervalles trop courts pour permettre la formation de banques de graines, alors que la distribution Weibull implique une dominance de sites avec les deux espèces.
CHAPITRE 1
INTRODUCTION
La forêt boréale nord-américaine est l'un des biomes les plus fortement affectés par
les feux à l'échelle globale (Rowe et Scotter 1973, Johnson 1992, Bailey 1996, Johnson et
al. 1998). Les feux y sont en général très sévères et très grands, car ils atteignent la cime
des arbres et couvrent de très grandes superficies pouvant atteindre plusieurs milliers de
kilomètres carrés (Johnson 1992, Arseneault 2001, Amiro et al. 2001 , Stocks et al. 2003).
Les feux y sont aussi très fréquents. Le cycle de feux (le temps requis pour que le cumul
des surfaces brûlées dans une région atteigne la superficie totale de cette région) varie selon
les secteurs, mais il se situe généralement entre 50 et 300 ans (Van Wagner 1978,
Heinselman 1981, Payette et al. 1989, Bergeron 1991, Amiro et al. 2000) .
Ce régime de feux a un impact majeur sur la dynamique, la structure et la composition
des paysages boréaux. Les peuplements forestiers sont majoritairement composés
d'épinettes noires (Picea mariana (Mill.) ESP) et de pins gris (Pinus Banksiana Lamb.) ,
deux espèces qui se rétablissent rapidement en peuplements équiens après-feu car elles
possèdent des cônes sérotineux qui libèrent massivement des graines (Beaufait 1960, St-
Pierre et al. 1992, Smimova et al. 2008). Puisque le cycle de feux est généralement plus
court que la longévité du pin et de l'épinette, qui est respectivement de l'ordre de 150 et de
12
250 ans (de Groot et al. 2003 , LeGoff et Sirois 2004), les paysages sont structurés en
plaques de stades success ionels distincts. Ces plaques évoluent par les processus de
success ion des peuplements à mesure que les forêts vieillissent. En même temps, les
plaques se chevauchent et se remplacent les unes les autres à mesure que les feux
survielment.
La taille des plaques de feux et les intervalles de temps qui les séparent ont une
influence déterminante sur la dynamique des paysages. Un intervalle de feux est défini
comme le temps écoulé entre deux feux successifs qui se sont chevauchés. La taille des
plaques de feux détermine la structure spatiale des paysages, alors que les intervalles de
feux reflètent la superposition des plaques dans le temps. La taille des feux et les intervalles
de feux dépendent d'interactions entre les conditions météorologiques et les caractéristiques
des combustibles. D'abord, on sait que la taille des surfaces brûlées dépend des conditions
de sécheresse des combustibles fins (Johnson 1992; de Groot et al. 2009) et que de très
grands feux surviennent lors d'années particulièrement sèches (Fauria et Johnson 2006,
Girardin et al . 2009). Ensuite, comme les quantités de combustibles fins sont généralement
très réduites après un feu, les probabilités sont faibles que deux feux se chevauchent avec
un intervalle court. Le risque de brûler évolue vraisemblablement en fonction du temps
écoulé depuis le dernier feu (Clark 1990, Schimmel et Granstrom 1997, Higuera et al.
2009). Les patrons d'accumulation des combustibles et d'évolution après-feu du risque de
brûler ne sont pas très bien documentés pour la forêt boréale d'Amérique du Nord. En
l'absence de données claires, on assume assez souvent que l'effet négatif de l'âge des
13
combustibles est de courte durée ou même que le risque de brûler est indépendant de l'âge
des forêts (Reed et al. 1998, Bergeron et al. 2004, Fauria et Johnson 2008). En contrepartie,
des études réalisées dans la forêt boréale scandinave indiquent que le risque de brûler est
très faible pour les premiers 20 ans après-feu et qu'il augmente ensuite pour se stabiliser
vers l'âge de 50 à 70 ans (Schimmel et Granstrom 1997; Niklasson et Granstrom 2000).
Malgré leur importance pour comprendre la structure et la dynamique temporelle des
paysages, la taille des feux et la durée des intervalles de feux sont des quantités rarement
considérées, principalement parce qu'elles sont difficiles à mesurer en même temps sur de
grands tetTitoires pour une échelle temporelle équivalente au cycle de feux. Retracer dans
l'espace et dans le temps la taille des feux successifs et le patron d'occurrence des
intervalles de feux équivaut à reconstituer le patron de chevauchements des feux . Puisque
les feux antérieurs sont masqués à mesure qu'ils sont recouverts par des feux plus récents ,
on possède rarement de bonnes données sur la taille des feux recouverts, ainsi que sur la
structure spatiale des intervalles de feux. L'absence de bonnes données sur le patron de
chevauchements des feux ne permet pas de voir comment la taille des feux change à travers
le temps, ni d'établir comment les intervalles de feux influencent le risque de brûler, ou
encore de voir comment ces phénomènes influencent le cycle de feux de même que la
structure et la composition des peuplements et des paysages qui en découlent.
14
Un échantillonnage intensif de cicatrices de feux dans la forêt boréale scandinave a
permis de dater et de circonscrire spatialement les feux qui se sont chevauchés depuis le
XIIe siècle dans un territoire de 19 km x 32 km (Niklasson et Granstrom 2000) . Cette base
de données a pennis de décrire les changements de taille et de nombre de feux et leurs
répercussions sur le cycle de feux. De plus, il a été possible de mesurer l'effet de l'âge du
combustible sur le risque de brûler et d'établir la distribution de fréquence des intervalles
de feux pour des périodes caractérisées par des régimes de feux contrastés. Cependant, une
telle approche est impraticable dans la forêt boréale nord-américaine, particulièrement dans
les secteurs peu anthropisés comme la taïga, en raison de la taille immense des feux (Stocks
et al . 2003) et de la difficulté d'accéder au territoire.
La difficulté de reconstituer les chevauchements de feux successifs dans la forêt
boréale nord-américaine peut être surmontée en déployant un grand effort d'échantillonnage
le long d'un transect facilement accessible plutôt qu'en échantillonnant une vaste surface.
La route de la Baie de James forme justement un tel transect dans l'axe nord-sud de la taïga
du Québec. Nous avons échantillonné intensivement des cicatrices de feux sur des arbres
vivants, des chicots et des débris ligneux afin de reconstituer le patron de chevauchements
des feux des derniers 200 ans le long des 196 km les plus nordiques de ce transect. Plus
spécifiquement, les objectifs de la présente étude sont de : 1) reconstituer la taille des feux
et voir comment ce paramètre a varié et a influencé le cycle de feux; 2) reconstituer le
patron de formation des intervalles de feux et voir comment le temps depuis le dernier feu a
influencé le risque de brûler; 3) voir comment la taille des feux et les intervalles de feux ont
15
influencé la structure d'âge des peuplements à travers le paysage; 4) déterminer si la
fréquence des intervalles courts s'est accrue récemment, te l que le suggère l' accro issement
généralisé de l'abondance du pin gris (Lavoie et Sirois 1998, LeGoff et Sirois 2004), une
espèce à maturité sexuelle plus précoce que l'épinette noire (Cayford et McRae 1983 , Caron
et Powell 1989).
1.1 Région d'étude
CHAPITRE II
MATÉRIEL ET MÉTHODES
Le transect étudié s'étend sur 196 km selon un axe nord-sud le long de la route de la
Baie de James dans la taïga du Québec (Figure 1). Plus précisément, il se situe entre les
latitudes S 1 °91 ' N et S3 °69' N autour de la longitude 70°30' o. Ce territoire fait partie du
bouclier canadien composé principalement de roches granitiques et gneissiques. La route de
la Baie de James a été construite en 1972. Le relief est peu prononcé et comprend quelques
collines d'une altitude maximale variant entre 2S0 m et 300 m (Hardy 1977). De grandes
tourbières ombrotrophes occupent les secteurs plats alors que des dépôts glaciaires et
fluvioglaciaires recouvrent les parties plus élevées du relief. Les sommets de collines sont
généralement parsemés d'affleurements rocheux. Plusieurs petits lacs sont présents . En
quelques endroits, la route a été construite sur la moraine de Sakami, une série discontinue
de terrasses fluvioglaciaires mises en place il y a près de 8000 ans au moment du drainage
du lac proglaciaire Ojibway dans la mer de Tyrrell (Hillaire-Michel et al. 1981). Ces
terrasses sablonneuses ont une superficie qui varie de quelques hectares à quelques
kilomètres carrés et sont espacées de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres.
55°
54"
DToundra D Toundra forestière DTaiga • Forêt boréale fermée
9
17
Figure 1. Localisation de la région d'étude (Baie de James, Québec, Canada), ainsi que du dispositif d 'échantillonnage.
18
Les données climatiques (1971- 2000) de la station météorologique de La Grande
Rivière, localisée dans la partie nord de l'aire étudiée, indiquent que la température
moyenne annuelle est de -3,1 oc. Les températures moyennes en janvier et en juillet sont
respectivement de -23,2 oC et de 13,8 oc. Les précipitations totales annuelles sont de
684 mm dont 64 % sous forme de pluie. Le nombre moyen de degrés jours au dessus de 5
oC est de 862 (Environnement Canada, 2010).
L'épinette noire et le pin gris sont souvent co-dominants dans les sites mésiques, au
sein de forêts ouvertes sur tapis de lichens. L'épinette noire domine surtout les milieux à
drainage lent en périphérie des tourbières où elle forme des pessières ouvertes à sphaignes
et éricacées. Le pin gris domine plutôt dans les milieux à drainage rapide tels que les dépôts
fluvioglaciaires et les affleurements rocheux. Le sapin baumier (Abies balsamea) , le
peuplier faux-tremble (Populus tremuloides), le bouleau blanc (Betula papyrifera) et le
mélèze laricin (Larix laricina) peuvent aussi être présents, mais leur abondance est faible .
Le cycle de feux est estimé à 100-115 ans (Payette et al. 1989, Parisien et Sirois
2003). Ce territoire n'est pas soumis à une suppression active des feux , ni à l'exploitation
forestière. Une forte majorité des feux sont causés par la foudre . Toutefois, un important
feu d'origine anthropique est survenu en 1972 lors de la construction de la route. Le seul feu
important survenu après la construction de la route a été causé par la foudre en 1989. Sa
19
propagation ne semble pas avoir été affectée par la présence de la route puisqu'il a couvert
presque toute la longueur du transect, à l'exception du territoire brûlé en 1972.
1.2 Acquisition des échantillons et des données
Le transect de 196 km a été divisé en 93 cellules contiguës de 2 km x 1 km (Figure 1).
Une cellule a été raccourcie 0,60 km) et 22 ont été allongées (moyenne = 2,57 ± 0,44 km)
pour s 'ajuster aux courbes de la route. La ligne centrale des cellules ne devait pas s'éloigner
à plus de 1 km de la route pour éviter les longs déplacements lors de la recherche de
cicatrices. Les cellules ont été positionnées dans un SIG grâce au module ArcMap du
logiciel ArcGIS 9.1 (ESRI 2005).
Une recherche intensive de cicatrices de feux a été effectuée dans chaque cellule de
manière à recenser le plus grand nombre possible de feux. À cause de leur taille
relativement grande, les cellules comprenaient chacune des milieux diversifiés avec une
probabilité variable d'être incendiés ou de permettre la formation de cicatrices lors d'un
feu. La première étape de l'échantillonnage visait à découvrir dans chaque cellule les sites
qui ont été propices à la formation des cicatrices lors d'un ou de plusieurs feux. De tels
gisements de cicatrices étaient souvent localisés dans les contextes susceptibles de ralentir
la propagation des feux, tels que les contacts entre les sites bien drainés et les tourbières ou
les affleurements rocheux. La seconde étape consistait à échantillonner un nombre variable
20
d'arbres (généralement 2-6) dans chaque gisement de cicatrices, de manière à dater le plus
grand nombre possible de feux différents . Des indices comme le nombre de cernes annuels
de croissance entre les cicatrices multiples ou entre la moelle et la première cicatrice
permettaient d 'évaluer le nombre de feux représentés dans chaque gisement. Des arbres
supplémentaires ont été échantillonnés à l'extérieur des gisements de cicatrices lorsque les
mêmes indices suggéraient des feux additionnels dans une cellule.
Une section transversale a été récoltée le plus bas possib le sur les tiges au travers des
cicatrices sélectionnées. Ces arbres ont été décrits (nombre de cicatrices, hauteur
d 'échantillonnage, vivant ou mort, debout ou au so l, souche attachée ou détachée du tronc) .
La présence ou l'absence de charbon sur les branches ou le tronc a été notée, un tronc
calciné indiquant un arbre mort avant un feu, alors que des traces de feu uniquement sur les
branches indiquent un arbre tué par le dernier feu . Chaque arbre échantillonné a été localisé
avec un GPS à correcteur différentiel de marque GeoExplorer. Une première séquence
d'échantillonnage a été réalisée aux étés 2005 et 2006. Une comparaison des séquences de
feux entre les cellules adjacentes a ensuite permis d'identifier les cellules qui semblaient
contenir une séquence incomplète de feux. Ces dernières ont été parcourues
systématiquement en 2007 pour combler les lacunes dans la base de données.
En laboratoire, les échantillons ont été sablés, afin de bien discerner les cellules
individuelles dans les cernes annuels de croissance. Pour les arbres vivants, les feux ont été
21
datés sous la binoculaire en dénombrant les cernes alilluels recouvrant les cicatrices de
feux . Les arbres morts ont d'abord été interdatés entre eux en comparant leurs séries de
largeurs de cernes annuels de croissance. La largeur des cernes a été mesurée avec le
logiciel OSM3 sur une image numérisée à 4800 dpi. Les séries de croissance ont été
interdatées avec le logiciel Past 4 (SCIEM 2004) en utilisant des chronologies de référence
développées dans la même région (Bouchon et Arseneault 2004, Busque et Arseneault
2005, Arseneault et al. 2007). La validation des datations a été réalisée avec le logiciel
COFECHA (Holmes 1983), de même qu'avec les chronologies de cernes pâles et de cernes
marqueurs disponibles pour le nord du Québec (Filion et al. 1986, Delwaide et al. 1991).
Généralement, les plantules de pin gris s'établissent en masse et poussent rapidement
après-feu (St-Pien·e et al. 1992, Sirois 1995, Charron et Greene 2002, Smirnova et al.
2008), de sorte que le premier cerne annuel de croissance au niveau du collet racinaire peut
aider à retracer des feux additionnels à ceux associés aux cicatrices. À cette fin , nous avons
considéré uniquement les échantillons avec moelle qui ont été prélevés à moins de 1 m au-
dessus du collet racinaire chez les pins vivants ou morts avec une souche attachée. La date
du premier cerne au niveau du collet racinaire a été estimée à partir du premier cerne au
niveau échantillonné en ajoutant une correction pour le décalage de temps entre ces deux
niveaux : C = 0,11 H - 0,047 (R2 = 0,50, p=O,013) où C est la correction (années) en
fonction de la hauteur d'échantillonnage H (cm). Cette équation a été établie à partir du
sous-ensemble d'échantillons avec souche attachée pour lequel la date du feu d'origine était
connue précisément à partir de cicatrices prises sur d'autres arbres des mêmes sites . Afin
22
d 'obtenir une date d'établissement conigée qui précède la date du feu conespondant pour
moins de S % des échantillons, la conection C représente la limite supérieure du Se
percentile de tous les décalages observés (pour tous les échantillons de pin gris avec moelle
et souche attachée récoltés à moins de 1 m du sol) par classe de 10 cm de hauteur
d'échantillonnage au-dessus du collet.
L'histoire des feux dans chaque cellule a été reconstituée à partir des dates de
cicatrices et des dates corrigées de premier cerne. Pour être valide, une date de feu dans une
cellule, qu'elle provienne d'une cicatrice ou d ' un premier cerne, devait être répliquée par
au moins une cicatrice ou un premier cerne échantillonné dans la même cellule ou dans une
des deux cellules adjacentes . Toutes les dates de feu qui ne rencontraient pas ce critère ont
été rejetées. La comparaison des histoires de feux entre les cellules vo isines a ensuite
permis de reconstituer l'étalement des secteurs brûlés avec une résolution de 2 km. Chaque
année de feu pouvait être représentée par plusieurs segments brûlés le long du transect, un
segment étant formé par une série ininterrompue de cellules brûlées.
Chaque cellule a été considérée active dans l'enregistrement des feux à partir de la
plus ancienne date, correspondant soit à l'établissement du pin le plus ancien ou à la
cicatrice la plus ancienne. La proportion de cellules actives est supérieure à 80 % à partir du
début du XIXc siècle et diminue rapidement pour les périodes plus anciennes (Tableau 1).
Bien que le nombre d'années de feu détectées, le nombre de cellules et de segments
23
incendiés et le nombre d'interruptions entre les segments soient tous des paramètres
dépendants des régimes de feux passés, des baisses importantes de leurs fréquences
suggèrent une perte rapide d'information avant 1750. Nous avons considéré que notre base
de données était relativement complète jusqu'en 1810, c'est-à-dire pour la période
comprenant au moins 80 % de cellules actives (78 % des cellules étaient actives en 1805
contre 81 % en 1812,91 % en 1854 et 100 % en 1922). Les années antérieures à 1810 ont
été exclues de la plupart des analyses.
Tableau 1. Raréfaction de l'information sur les années de feu et sur la densité des cellules et des segments incendiés en fonction de l'ancienneté de périodes de 50 ans.
Période Cellules Années de Cellules Segments Interruptions actives (%) feu incendiées incendiés entre les
segments
1950-2008 100 11 11 2 28 18 1900-1949 99,6 5 122 28 23 1850-1899 92,9 9 68 l7 8 1800-1849 85,5 10 40 18 Il 1750-1799 62,7 8 39 16 8 l700- 1749 32,7 6 22 7 1 1650- 1699 13,5 2 4 2 0 1600-1649 4,4 1 2 2 1 Total 52 409 118 70
1.3 Description du régime de feux
Puisque nous avons reconstitué la taille des feux anciens recouverts par les feux plus
récents, le cycle de feux a été calculé directement à partir des distances brûlées le long du
24
transect. Pour chaque période de 50 ans décalée de 1 an (1810-1859, 1811-1860, . .. , 1960-
2008), le cycle de feux a été calculé selon l'équation suivante: 196 km x 50 ans/distance
totale incendiée pendant la période de 50 ans. Aucun cycle de feux n'a été calculé avant la
période 1810-1859 en raison de la diminution de la proportion de cellules actives. En
théorie, les cellules situées aux extrémités de chaque segment brûlé ont en moyenne été
incendiées sur seulement la moitié de leur longueur. Afin de ne pas surestimer la distance
parcourue par les feux dans le calcul du cycle de feux , nous avons créé une série de
données con·igées dans laquelle la taille de chaque segment brûlé a été raccourcie de 1 km à
chacune de ses deux extrémités. Les segments composés d ' une seule cellule n'ont été
raccourcis que de 500 m à chaque extrémité. Deux calculs du cycle de feux ont été réalisés,
l'un avec les données brutes, l'autre avec les données corrigées.
De manière similaire, la distribution de fréquence des classes d 'âges de la forêt (i.e.
temps depuis le dernier feu) à l'échelle des cellules a été établie pour chacune des périodes
consécutives de 50 ans décalées de 10 ans (1810-1959, 1820-1869, .. . , 1960-2008).
Connaissant l' historique de superposition des feux à partir du premier feu détecté dans
chaque cellule, les distributions de fréquences des classes d'âge ont été construites en
considérant l'âge de chaque cellule pour chaque année de chaque période de 50 ans. Les
distributions construites reflètent donc la situation composite par période de 50 ans . Pour
chaque période, la courbe de survie des peuplements a ensuite été établie en rééchelonnant
proportionnellement les fréquences de chaque classe de 5 ans selon une valeur maximale de
1 pour la fréquence la plus élevée (Huggard et Arseneault, 1999).
25
Pour chaque période de 50 ans, la courbe de survie a été modélisée avec une équation
Weibull à 2 paramètres, ajustée à l'aide de la procédure d 'estimation non-linéaire du
programme Statistica, version 9.0 (Statsoft, 2008) :
A(t) = exp (-(tlbn
où A(t) représente la survivance et t correspond à l'âge des forêts (temps écoulé depuis le
dernier feu). Le paramètre c est un paramètre de forme. Plus la valeur de c s'éloigne de 1,
plus la courbe de survie est sigmoïde et plus le risque de brûler dépend de l'âge des
peuplements. La distribution exponentielle négative, qui indique une probabilité de brûler
indépendante de l'âge, est un cas particulier de la distribution Weibull pour lequel le
paramètre c est égal à 1. Le paramètre b identifie l'âge avant lequel 63,2 % du paysage a
déjà brûlé. L'évolution temporelle des paramètres b et c selon les périodes de 50 ans a
permis d 'examiner leurs réponses aux changements dans la courbe de survie des
peuplements.
Pour chaque période de 50 ans, la relation entre le taux de risque de brûler et l'âge des
peuplements a été précisée par modélisation à partir des paramètres b et c décrivant la
courbe de survie. Le taux de risque de brûler (À (t» donne la probabilité par unité de temps
qu'une parcelle de forêt brûle dans une classe d'âge donnée (Johnson et Gutsell 1994) et
représente l'effet du vieillissement de la forêt sur la susceptibilité au feu des combustibles.
En même temps , le taux de risque représente la probabilité de chevauchement en fonction
du temps écoulé entre deux feux. Lorsque la probabilité de brûler est indépendante de l'âge,
26
À (t) ne diffère pas entre les classes d'âge . Le calcul de À (t) équivaut à diviser f (t), la
probabilité de brûler à l'âge t, par la courbe de survie (A (t» :
À(t) = f (t) / A (t)
où f (t) = ((etC-1) / hC) exp (_(t/b)C)
de sorte que À (t) = etc-l
/ hC
La fonction f(t) correspond aussi à la distribution de fréquence théorique des
intervalles de feux. Cette distribution a une forme en cloche si le taux de risque de brûler
dépend de l'âge des peuplements et une forme exponentielle négative si le taux de risque
est indépendant de l'âge des peuplements (voir Figure 1.1 dans l'introduction générale).
U ne prémisse importante dans l'anal yse des caractéristiques du régime de feux à
partir de la distribution des classes d'âges est que la courbe de survie soit en équilibre avec
les paramètres démographiques de la forêt (Huggard et Arseneault 1999). Pour assurer le
respect de cette prémisse, nous avons analysé l'évolution des paramètres b et c en parallèle
avec l'évolution du cycle de feux estimé directement à partir des distances brûlées. En
particulier, nous avons vérifié si les périodes de calcul des paramètres chevauchaient des
changements importants dans le cycle de feux. Dans ce contexte, le cycle de feux est un
indice du taux de renouvellement des forêts.
27
1.4 Indice de sécheresse
Nous avons vérifié si les plus grands feux (feux de plus de 10 km) ont été associés à
des conditions de sécheresse particulières. L'indice de sécheresse du système canadien de
l'indice forêt-météo est un indice quotidien de la teneur moyenne en eau des couches
organiques du sol. Il représente l'effet saisonnier des conditions météorologiques sur la
sécheresse des combustibles forestiers et est utilisé dans le calcul du danger d'incendie . Une
modification de cet indice a été développée pour permettre un calcul avec des données
mensuelles (Girardin et Wotton 2009). Nous avons utilisé le programme SimMDC
(Girardin et Wotton 2009) pour générer une série temporelle de l'indice mensuel de
sécheresse du mois de juillet pour la période 1901-2002, à partir des données de
précipitations totales mensuelles et de températures maximales moyennes mensuelles du
CRU (Climate Research Unit; Mitchell et Jones 2005). Comme les données du CRU sont
compi lées pour des cellules de 0,5 degrés de latitude par 0,5 degrés de longitude, nous
avons calculé un indice de sécheresse mensuel moyen pour la région comprise entre 52 et
54 degrés de latitude nord et 76 et 79 degrés de longitude ouest (24 cellules).
CHAPITRE III
RÉSULTATS
Au total, 422 arbres vivants et 1 173 arbres morts ont été échantillonnés dans les 93
cellules, dont une forte majorité de pins (Tableau 2). La plus vieille épinette comportait 369
cernes annuels de croissance contre 263 pour le plus vieux pin. Quarante-cinq pins vivants
ou morts comportaient plus de 200 cernes annuels . Un taux élevé de datation des spécimens
morts, qui augmentait avec le nombre de cicatrices de feux, a permis d'obtenir un total de
1 481 dates de feu à partir des cicatrices seulement. La datation de feux à partir de la
cOlTection des premiers cernes de croissance, pour les pins gris avec moelle et souche
attachée ayant été récoltés à moins de 1 m du sol, a pour sa part permis de déterminer 68
cohortes représentant autant de dates de feu additionnelles. Au total, la datation des
cicatrices et des dates d'établissement des cohortes de pins a permis d'obtenir 1 549 dates
de feu.
Ces échantillons ont permis de détecter 52 années de feux entre 1620 et 2008,
correspondant à un total de 409 cellules incendiées réparties entre 118 segments (Figure 2
et Tableau 1). Le nombre d'années de feux par cellule variait entre 1 et 8. La distance totale
brûlée par année de feu (en moyenne 16,27 ± 24,23 km) a varié entre 2 km (7 années
différentes) et 108 km (1989), alors que la distance corrigée (en moyenne 12,25 ±
29
20,95 km) a oscillé entre 1 et 95 km. Le nombre de segments brûlés par année de feu
osci ll ait (moyenne ± écart-type de 2,6 ± 2,3 segments) entre 1 (plusieurs années) et Il
(1922) . La longueur brute des segments individuels variait entre 2 et 56 km (moyenne de
6,93 ± 8,68 km ; alors que la longueur corrigée oscillait entre 1 et 54 km). La longueur des
inten-uptions entre les segments d ' une même année oscillait entre 2 km et 92 km (moyenne
de 14,7 ± 20,5 km) . L ' intervalle de temps le plus court entre deux feux successifs dans une
même cellule a été de 2 ans (de 1939 à 1941 ) et le plus long de 262 ans (de 1620 à 1882)
(Figure 2) .
Tableau 2. Nombre d ' échanti llons en fonction de leur état (mort ou vivant) et de leur nombre de cicatrices de feux le long du transect de 196 km (PIG = 1373 , EPN = 200 et MEL = 22).
N de spécimens N dates % Datés Dates de feu potentielles (à partir des
cicatrices) Vivants
o cie 25 100 1 eie 272 272 100 272 2 cie 99 198 100 198 3 cie 19 57 100 57 4 cie 7 28 100 28
Morts o cie 282 53, 19 1 cie 731 73 1 83,6 1 6 12 2 cie 135 270 88,1 2 238 3 cie 2 1 63 96,00 60 4 cie 4 16 100 16
N total de cie 1595 1635 1481
30
Le XIXc et le XXC siècles ont été marqués par des régimes de feux fortement
contrastés. Même si le nombre d'années de feu par décennie est demeuré relativement
stable entre 1810 et 2008, oscillant entre 1 et 2 par décennie (Figure 3a), les feux ont été
beaucoup plus grands après 1910 (Figures 2, 3b et 3c). Au total, 475 km de transect ont
brûlé pour la période 1910 à 2008 comparativement à 150 km pour la période 1810-1909.
Les distances brûlées ont été particulièrement importantes au cours des décennies de 1920,
1940, 1970 et 1980, en raison de l'occurrence d'années de feu extrêmement importantes en
1922 (distances brutes et corrigées de respectivement 106 km et 89 km), 1941 (86 km et
71 km), 1972 (66 km et 52 km) et 1989 (108 km et 95 km). Cinq des six plus importantes
années de feu sont survenues après 1910 (Tableau 3). Les décennies de très grands feux de
la période 1910-2008 ont été entrecoupées par une ou deux décennies de très petits feux
(Figure 3). Toutes les années de grands feux (distance corrigée de plus de 10 km) du XXC
siècle correspondent à des pics importants de l'indice mensuel de sécheresse du mois de
juillet, indiquant qu'ils sont survenus lors des années les plus sèches (Figure 4).
31
Tableau 3. Caractéristiques des 1O plus grands feux le long du transect de 196 km.
Feux Longueur Longueur Nombre de Distance Longueur brute corrigée segments inter- maximale (km) (km) segments de segment
maximale (km) (km)
1989 108 9S 7 22 S4 1922 106 89 11 26 44 1941 86 71 9 1O 34 1972 66 S2 9 16 28 1854 40 34 3 26 30 1916 40 33 4 6 20 1894 30 27 2 52 26 1760 26 21 5 4 16 1882 24 18 4 40 12 1826 24 15 6 38 6
(/) Q)
'cu c: c: <
32
2000-
1950 -
--- --- -----
1900 -
1850 -
1800 -
1750 -
1700 -
1650 -
1600~----~-----.-----.----~-----.-----.----__ .-----.-----.---~ o Nord
20 40 60 80 100 120 140
Distance(km)
160 180 200
Sud
Figure 2. Feux survenus le long du transect de 196 km entre 1620 et 2008. Chaque trait horizontal représente un feu confirmé dans une cellule de 2 km2. La zone grise avant 1810 représente la période pour laquelle les données ne sont pas considérées dans la plupart des analyses en raison de la raréfaction de l'information en remontant dans le temps (voir le Tableau 1).
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' <li C C <li C U co ' <li
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-
1 1
1600
33
~
1 1 III Il 1 Il Il Il Il 1 III 1 1
1700 1800 1900 2000
Années
Figure 3. Nombre d'années de feu (a) et nombre de cellules brûlées par décennie (b) et log du nombre de cellules brûlées par année au long du transect étudié. Le trait vertical pointillé indique l'année de 1810 à partir de laquelle on estime que la plupart des feux ont été détectés dans chaque cellule.
Conséquemment, le cycle de feux s'est brusquement accéléré au début du XXe siècle
(Figure 5). Le cycle de feux a oscillé autour de 100 ans entre la période 1810-1860 et celle
de 1870-1920 pour diminuer et se stabil iser autour d'une valeur extrêmement faible de 50
ans après le feu de 1922. Le cycle de feux calculé avec les données brutes était
respectivement de 94 ans et de 45 ans pour les périodes 1810-1909 et 1910-2008. Avec les
données corrigées, ces valeurs étaient respectivement de 139 ans et de 58 ans. En moyenne,
les distances brutes et corrigées annuellement brûlées étaient respectivement de 2,1 km
34
brûlés/année (1,07 % de la longueur du transect) et de 1,4 km brûlé/année (0,71 %) pour la
période 1810-1909 et de 4,42 km brûlés/année (2,26 %) et de 3,52 km brûlés/année
(1,63 %) pour la période 1910-2008.
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300
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50 +---~--~--~--~--~~~~--~--~--~--~ 1900 1920 1940 1960
Années
1980 2000
Figure 4. Indice mensuel de sécheresse pour le mois de juillet calculé selon la méthode de Girardin et Wotton (2009). Pour chaque année, l'indice représente la moyenne des valeurs calculées pour 24 cellules de 0,5 degrés de latitude par 0,5 degrés de longitude entre 52 et 54 degrés de latitude N. et 76 et 79 degrés de longitude O. Les ronds noirs réfèrent aux feux qui ont couvert plus de 10 kilomètres entre 1901 et 2002.
En comparaison de la période 1810-1909, les feux de la période 1910-2008 ont
recouvert un plus grand nombre de segments brûlés antérieurement et provoqué la
formation d'intervalles de feux plus fréquents et plus courts (Figure 6a). Au total, les feux
de la période 1910-2008 ont recouvert 124 segments associés à 30 feux antérieurs , contre
55 segments de 24 feux pour la période 1810-1909. Parmi tous les intervalles de feux
35
reconstitués dans l'ensemble des cellules, 77 ont été formés entre 1810 et 1909 contre 228
entre 1910 et 2008 . Les intervalles de 11 à 20 ans et de 41 à 50 ans ont été particulièrement
fréquents entre 1910 et 2008 en raison des chevauchements entre les grands feux de 1972 et
1989 (10 cellules), 1922 et 1941 (11 cellules), 1941 et 1989 (7 cellules) et 1922 et 1972 (6
cellules).
-150
1 00 ...... _ ......... -.--............. ..,f==t---ft-......... _ ..... .... _ .... . . . .. _ ..... .. . . _ . ....... .
50
o 1840 1880 1920 1960 2000
Années
Figure 5. Cycle de feux calculé pour des périodes de 50 ans décalées de 1 an. Le cycle de feux pour chaque année correspond à la période se terminant à cette date. Le trait fin correspond aux données brutes et le trait épais aux données corrigées.
Les intervalles courts de la période 1910-2008 ont entraîné la prolifération de jeunes
peuplements en comparaison du xrxe siècle. Les cellules âgées de 1 àlO ans ont représenté
un total de 2298 cellules-années au cours de la période 1910 à 2008, contre 1 103 cellules-
années pour la période 1810 à 1909. Pour les périodes de 50 ans se situant avant 1920
(Figure 7a, b, c), les distributions de fréquences du temps depuis le dernier feu montrent
une décroissance régulière de l'abondance des classes d'âge jusqu'à un âge maximal
36
50 a)
40
30 • 1810-1909
D 191 0-2008 20
VI 10 <lJ ::l
<lJ 0
U 0 50 100 150 200 250 <lJ U Intervalle de feux
<lJ l....
..Q 1400 E 0 1200 b) z 1000
800 600 400 200
0 0 50 100 150 200 250
Temps depuis le dernier feu
Figure 6. Distributions de fréquences des intervalles de feux (a) et du temps depuis le dernier feu (b) pour l'ensemble des cellules et des années pour les périodes 1810-1909 et 1910-2008.
37
d'environ 250 ans. En contrepartie, pour les périodes se situant après 1920 (Figure 7 g, h, i),
les distributions de fréquences se caractérisent par une forte dominance de cellules de
moins de 50 ans combinée à une rareté de cellules plus âgées. Les grands feux de 1922 et
1941 ont successivement augmenté la fréquence des forêts de moins de 50 ans aux dépens
des forêts plus vieilles. La transition entre les deux régimes de feux est d'ailleurs mise en
évidence par la propagation dans la structure d'âge d'une période sans grand feu entre 1860
et 1909, incluant une décennie sans feu entre 1900 et 1909. La période 1860-1909 est la
seule des 200 dernières années pour laquelle aucun feu de plus de 30 km n'a été formé et la
décennie 1900-1909 est la seule pour laquelle aucune année de feu n'a été détectée (Figures
2 et 3). Avec le temps, le faible taux de formation de jeunes forêts au cours de la période
1860-1909 s'est propagé dans les classes d'âge plus élevées, en démarquant les cellules
issues des deux régimes de feux.
38
1 .. 0 a lI820- 1869 1,0 1,0 c) 1 860-1 909
0,8 0,8 0,8
0,6 0,6 0,6
0,4 0,4 0,4
0.1 0.1 0,2
0,0 0,0 0,0 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 a 50 100 150 200 250 300
1,0 1880- 1929 1,0 ~)1900-1949
1,0 f)1920-1969 (/) 0,8 0,8 0,8 Cl .t::: (/) 0,6 0,6 0,6 (f) Cl) 0,4 "0
0,4 0,4
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0,0 0,0 0,0 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
1,0 g)1930-1979
1,0 h)I940-1989
1,0 01960-2008
0,8 0,8 0,8
0,6 0,6 0,6
0,4 0,4 0,4
0,2 0,2 0.1
0,0 0,0 0,0 a 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 2.50 300
Temps depuis le dernier feu
Figure 7. Distributions de fréquences du temps depuis le dernier feu pour des périodes de 50 ans sélectionnées. Les distributions sont établies à partir du temps depuis le dernier feu pour chaque année de chaque période dans chaque cellule de 2 km2
. Les distributions de la rangée du haut (a, b, c) caractérisent le régime de feux de la période 1808-1909, celles de la rangée du bas Cg, h, i) caractérisent le régime de la période 1910-2008, alors que celles de la rangée du centre (d, e, f) caractérisent la période de transition entre les deux régimes . La flèche oblique dans la rangée centrale indique la propagation du creux des classes d'âge à la suite de la faible occurrence de feux entre 1860 et 1909.
39
Les changements de fréquence des classes d'âge entre 1810 et 2008 sont décrits par
les paramètres b et c des modèles Weibull ajustés aux distributions de fréquences de l'âge
des cellules par période de 50 ans (Figures 8 et 9a). Nous n'avons pas interprété les valeurs
des paramètres pour les périodes 1880-1929 à 1920-1969 qui chevauchent les deux régimes
de feux. Le cycle de feux plus rapide après 1910 se reflète dans les valeurs du paramètre b
qui indique l'âge avant lequel 63,2 % des cellules ont brûlé (Figure 8a). Pour les périodes
de 1810-1859 à 1870-1919, la valeur du paramètre b se situe autour de 60 ans
comparativement à 45 ans pour les périodes de 1930-1979 à 1960-2008. L' intervalle de
confiance de la valeur du paramètre c est supérieur à la valeur théorique de c=1 pour toutes
les périodes de 50 ans considérées, indiquant que le taux de risque de brûler dépend de l'âge
des peuplements (Figure 8b) . Les valeurs du paramètre c sont très élevées après 1920,
particulièrement pour la période de 1949-1989 (c=4,76), indiquant que l'âge-dépendance du
taux de risque a été beaucoup plus forte au XXe siècle qu'au XIXe siècle (Figure 9b). En
même temps , le temps depuis le dernier feu a exercé une influence beaucoup plus variable
sur le risque de brûler entre les périodes de 50 ans au XXe siècle qu'au XIXe siècle (Figure
9b) .
40
80 <J)
70
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40
30 6
5 b) §
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1
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Période
Figure 8. Évolution des paramètres b et c du modèle Weibull ajusté aux distributions de fréquences du temps depuis le dernier feu selon des périodes de 50 ans décalées de 10 ans. L'enveloppe grise autour des courbes représente l'intervalle de confiance de l'estimation des paramètres (95%). La trame grise verticale indique les périodes qui chevauchent les deux régimes de feux (i.e. périodes de 1880-1929 à 1910-1959) et pour lesquelles les valeurs des paramètres peuvent difficilement être interprétées.
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° 50 100 150 200 250 Années après-feu
41
Figure 9. Survivance (a) et taux de risque de brûler (b) des peuplements en fonction du temps écoulé depuis le dernier feu pour des périodes de 50 ans décalées de 10 ans. Pour chaque période, la fonction de survivance a été estimée en ajustant un modèle Weibull à deux paramètres à la distribution du temps depuis le dernier feu (voir la figure 7). Les fonctions de taux de risque ont été calculées à partir des deux paramètres Weibull de chaque période (voir la méthode). Les périodes de 50 ans qui chevauchent les deux régimes de feux (i.e. périodes de 1880-1929 à 1910-1959) ont été ignorées.
CHAPITRE IV
DISCUSSION
3.1 Taille des feux et cycle de feux dans un contexte de changements climatiques
Nos résultats indiquent que le régime de feux dans la taïga du Québec a été dominé
par des feux extrêmement grands. Bien que les segments incendiés le long du transect ont
pu comprendre plusieurs polygones de feux pour chaque année (Figure 2), on peut supposer
que les polygones distincts sont représentés dans nos données par des suites de cellules
comportant des intelTUptions d'au plus une cellule. Si en plus on suppose que les polygones
avaient une forme approximativement circulaire, les plus grands polygones de 1922 (30
cellules), 1941 (25 cellules) et 1989 (34 cellules) auraient respectivement couvert des
superficies de 2800 km2, 2000 km2 et 3600 km2
. Ces approximations semblent raisonnables
puisque le polygone de 1989 avait en réalité une superficie de 3777 km2 (LFDB; Stocks et
al. 2003). Des feux aussi grands ont rarement été rapportés pour la forêt boréale du Canada.
La base de données sur les grands feux (LFDB) décrit les feux de plus de 2 km2 survenus
au Canada pour la période 1959-1999 (Stocks et al. 2003). Sur un total de 11 231 feux
répertoriés, seulement 31 d'entre eux (0,28 %) ont couvert plus de 2000 km2, 12 (0,11 %)
ont couvert plus de 3000 km2 et 7 (0,06 %) ont couvert plus de 4000 km2. Même si de tels
feux ont été rares à l'échelle du Canada, ils sont survenus à répétition dans notre zone
43
d'étude et pour de courts intervalles de feux . Ce territoire est probablement l'un des plus
fréquemment touchés par les grands feux dans la zone boréale nord-américaine.
Conséquemment, nous avons observé un cycle de feux très rapide qui s'est maintenu
autour d'une valeur de 50 ans après 1910. Cette valeur de 50 ans que nous avons mesurée
pour la période 1910-2008 est deux fois plus rapide que celle de 115 ans déjà estimée pour
la période 1930-2000 dans la même région à partir des surfaces des polygones de feux
compilés par l'agence provinciale de gestion des feux de forêt (Parisien et Sirois 2003).
Bien que de telles bases de données, comme la LFDB, soient très utiles pour documenter
l'historique des feux sur de très vastes territoires, on soupçonne qu'elles ne soient
complètes que pour les trois ou quatre dernières décennies (Stocks et al. 2003), notamment
dans les régions les plus isolées comme le Nord du Québec. Comme notre étude démontre
que de très grands feux ont pu se recouvrir et se masquer avec de courts intervalles de
temps, les bases de données de polygones de feux devraient être interprétées de manière
très conservatrice avant 1970, surtout si elles répertorient plusieurs feux adjacents, un cycle
de feux rapide et peu de chevauchements entre les feux successifs.
Contrairement au raccourcissement du cycle de feux que nous avons observé entre
1910 et 1920, plusieurs études ont rapporté un allongement à partir d'environ 1850 dans
plusieurs secteurs de la forêt boréale commerciale du Québec (Bergeron 1991, Bergeron et
al. 200 1, Lesieur et al. 2002, Bergeron et al. 2004) et ailleurs à travers la forêt boréale
44
nord-américaine (Larsen 1997, Weir et al. 2000). Avant ces changements dans des
directions opposées (i.e. avant 1850), le cycle de feux d'environ 100 à 125 ans qui prévalait
dans notre région d'étude était probablement comparable à celui de plusieurs autres régions,
comme le Nord-Ouest de la forêt boréale commerciale du Québec (Bergeron et al. 2004) et
le centre de la Saskatchewan (Weir et al. 2000). Des travaux ont suggéré que l'allongement
généralisé du cycle de feux vers 1850 ait été le résultat d'une modification du patron de
circulation des masses d'air vers la fin du Petit Âge glaciaire (Girardin et al. 2004, 2006).
Une pénétration accrue dans la zone boréale des masses d'air humides d'origine plus
méridionale aurait diminué le risque de brûler à travers de grands territoires . L'absence de
changement à ce moment dans notre zone d'étude pourrait être redevable à sa position
nordique, au-delà de la principale zone d'influence des masses d'air méridionales (LeGoff et
al. 2007). Cette idée est aussi appuyée par le fait que toutes les autres mentions de cycle de
feux très rapides (cycles de 50 à 75 ans) au XXe siècle concernent la ceinture nord de la
forêt boréale au nord-ouest de l'Ontario (Suffling et al. 1982), au nord de l'Alberta et au
sud-ouest du Nunavut (Van Wagner 1978, Larsen 1997, Stocks et al. 2003). La diminution
observée du cycle de feu dans la taïga jamésienne en opposition à l'augmentation du cycle
de feux dans plusieurs régions plus au sud semble confirmer le patron sp~tial observé dans
la tendance du danger de feux au cours du siècle par Girardin et Wotton (2009); c'est-à-dire
une diminution du danger au sud, une augmentation au nord et une absence de changement
entre les deux.
45
Quoi qu'il en soit, notre étude indique que les différences de cycle de feux entre les
régions et les époques sont redevables, au moins en partie, à la fréquence et à la sévérité des
années de sécheresse extrême. La relation très nette que nous avons observée entre les
années de grands feux et les pics de l'indice de sécheresse mensuel de juillet (Figure 4)
supporte l'idée d'un haut degré de prédictibilité des surfaces brûlées à partir de la variante
mensuelle de l'indice de sécheresse du Système canadien de l'indice forêt-météo (Girardin
et Wotton 2009; Girardin et al. 2009). En se basant sur cette relation, on peut supposer que
la saison de feux a aussi été très sèche dans notre région d'étude lors des années 1733
(20 km brûlés), 1760 (28 km) , 1792 (14 km), 1799 (16 km), 1826 (24 km), 1847 (22 km),
1854 (40 km), 1867 (14 km), 1876 (12 km), 1882 (24 km) et 1894 (30 km). Toutefois,
l'augmentation de la taille des feux après 1910, sans changement de la fréquence des années
de feu, indique des pics de sécheresse plus importants au XXe siècle qu'au xrxe siècle. De
plus, les conditions de sécheresse ont probablement été plus variables entre les années au
XXe siècle qu'au XIXe siècle, parce que l'accroissement de la taille des feux après 1910 est
survenu en parallèle avec une augmentation des précipitations hivernales dans le Nord du
Québec, comme l'indique la hausse bien documentée des niveaux de lacs (Payette et
Delwaide 1991, 2000; Bégin 2000,2001). Le même phénomène de plus grande activité de
feux lors des périodes de hauts niveaux lacustres à déjà été documenté à l'échelle de
l'Holocène pour la péninsule du Québec-Labrador (Carcaillet et Richard 2000). Un
changement de régime de feux comprenant un changement important de taille des feux s'est
aussi produit dans la forêt boréale suédoise autour de l'an 1650 (Niklasson et Granstrom
2000). Dans ce cas cependant, l'accroissement de l'occupation humaine du territoire serait
46
en cause, puisque la réduction de la taille des feux est survenue en l'absence de signal
climatique notable et qu'elle a été surcompensée par une augmentation du nombre de feux.
Des études de simulation basées sur des modèles de circulation atmosphérique
suggèrent que l'activité des feux va augmenter dans plusieurs secteurs de la forêt boréale
nord-américaine en réponse au changement climatique en cours (Flannigan et al. 2005;
Girardin et Mudelsee 2008 , Balshi et al. 2009). Dans ce contexte, notre étude illustre un
processus par lequel des changements climatiques pourraient se répercuter très rapidement,
par l'intermédiaire de quelques années extrêmes de sécheresse et de grands feux , sur la
structure et la composition des paysages de la forêt boréale. Par exemple, depuis 1910 dans
notre zone d'étude, les conditions de sécheresse de trois années particulières (1922, 1941 et
1989) ont été à l'origine de 300 km de feux (distances non conigées) , ce qui équivaut pour
ces seuls événements à un cycle de feux d'environ 75 ans sur les 196 km de notre transect.
En l'espace de quelques décennies, ces feux ont complètement remodelé la structure de
taille des plaques de paysage (Figure 2), la structure d'âge du paysage (Figures 6a et 7) et le
taux de formation des intervalles de feux courts (Figure 6b). L'épinette noire, ayant une
maturité sexuelle plus tardive que le pin gris (environ 40 ans versus 10 ans) (Cayford et
McRae 1983, Caron et Powell 1989), elle est plus sensible aux intervalles de feux courts
(Cogbill 1985, Johnson 1992, Frelich 2002). Il est donc hautement probable que les
intervalles courts du XXe siècle aient entraîné une augmentation généralisée de l'abondance
du pin gris aux dépens de l'épinette noire, comme le démontrent très nettement des
inventaires de régénération à travers le feu de 1989 (Lavoie et Sirois 1998, Pinard 1999, Le
47
Goff et Sirois 2004). Des simulations et des reconstitutions paléoécologiques millénaires
suggèrent aussi que le pin gris continuera à prendre de l'expansion si le cycle de feux se
maintient autour de 50 ans (Desponts et Payette 1993 ; Arseneault et Sirois 2004; Le Goff et
Sirois 2004). Le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides) est une autre espèce qui
pourrait profiter d'intervalles de feux courts, en raison de sa capacité à se régénérer après-
feu par drageonnement et de la dispersion de ses graines sur de grandes distances (Weir et
al. 2000, Romme et al. 2005).
Les très grands feux qui surviendraient sous des conditions de sécheresse extrême
pourraient aussi avoir des conséquences écologiques importantes en raison de leur grande
sévérité, comme ce fut le cas en 1941. Le feu de 1941 a été très sévère et a provoqué la
destruction d'une fraction importante des graines emmagasinées dans les cônes sérotineux
des pins et des épinettes causant par endroit le rétablissement de forêts extrêmement
ouvertes (Arseneault 2001, Grange 2005). En se propageant dans des sites rarement
incendiés tel s que les tourbières et les corridors riverains, le feu de 1941 a aussi diminué
l'abondance des espèces mal adaptées au feu comme le sapin baumier (Abies balsamea) et
le mélèze laricin (Larix laricina), qui colonisent préférablement de tels sites (Busque et
Arseneault 2005; Arseneault et al. 2007).
3.2 Limitation du risque de brûler par l'âge du combustible dans un contexte de
changement climatique
48
Le risque de brûler a augmenté avec le temps depuis le dernier feu pour toutes les
périodes de 50 ans considérées (Figure 9b). Cette relation est également soulignée de
manière plus générale par la forme asymétrique de la distribution de fréquence des
intervalles de feux pour les périodes 1810-1909 et 1910-2008. À l'échelle des cellules de
2 km2, les intervalles courts ont été rares en comparaison de la fréquence très élevée des
jeunes peuplements (Figures 6a et 6b), parce que ces derniers sont moins susceptibles d'être
incendiés que les peuplements plus âgés. Dans l'ensemble, les courbes de taux de risque de
brûler suggèrent une augmentation rapide du risque de brûler dans les premières décennies
après-feu, jusque vers l'âge d'environ 50 ans, suivi d'un ralentissement de l'accroissement
jusqu'à l'atteinte d'un plateau. Même si les courbes de taux de risque du XXe siècle
(périodes de 1920-1969, 1930-79, 1940-1989, 1950-1999 et 1960-2008) (figure 9b)
suggèrent un accroissement soutenu du risque de brûler, elles doivent être considérées avec
prudence au-delà de l'âge de 50 ans à cause de la très faible abondance des peuplements
plus âgés dans les distributions de fréquences qui ont servi à ajuster les courbes de survie.
Ce patron d'accroissement du taux de risque de brûler avec l'âge des peuplements concorde
avec les résultats d'autres études ayant pu mesurer empiriquement l'âge-dépendance du
risque de brûler à partir de distributions de fréquences d'intervalles de feux (Johnson 1979,
Clark 1990), d'une reconstitution de l'historique de chevauchement des feux (Nicklasson et
Granstrom 2000) ou à partir de données d'expériences conçues spécialement à cet effet
(Schimmel et Granstrom 1997).
49
Puisque les feux de cimes sont dominants dans la taïga et que ce sont surtout les
combustibles fins qui permettent la propagation des feux (Schimmel et Granstrom 1997,
Fernandes et al. 2008), l'accroissement du risque de brûler reflète probablement
l'accumulation après-feu des combustibles, notamment celui du feuillage et des ramilles.
Bien que le patron d'accumulation après-feu de la biomasse forestière ne soit pas très bien
documenté pour la taïga, une étude dans une série de 10 pessières à lichens ouvertes du
Labrador (Auclair 1985) révèle un patron d'accumulation de la biomasse qui ressemble un
peu à l'accroissement du risque de brûler que nous avons observé, c'est-à-dire un
accroissement rapide de la biomasse du feuillage des branches jusque vers l'âge de 110 ans,
suivi par une stabilisation. Dans la forêt boréale mixte du Québec, une accumulation
significative de combustible a été observée jusqu'à l'atteinte d'un plateau vers l'âge de 150
à 200 ans (Hély et al. 2000).
En raison du cycle de feux plus rapide après 1910, l'âge des peuplements a exercé un
effet beaucoup plus fort sur le risque de brûler qu'auparavant (Figures 8b et 9b). Ce
phénomène est redevable aux très grands feux qui ont généré une forte occurrence de
jeunes peuplements ne possédant pas assez de combustible pour supporter la propagation
des feux suivants (Figure 3b). Par exemple, la très forte âge-dépendance du taux de risque
de brûler pour la période de 1940-1989 (c = 4,76; Figure 8b) découle des très grands feux
de 1916, 1922 et 1941 qui ont incendié presque tout le transect au début du XXe siècle
(Figure 2). Presque toutes les cellules étaient âgées de moins de 25 ans en 1942, ce qui a
défavorisé la propagation de feux au cours des trois décennies suivantes (Figure 3), malgré
50
des sécheresses extrêmes en 1955, 1961, 1963, 1967, 1968 et 1972 (Figure 4). Un feu en
1955 n'a couvert qu'une surface modérée dans notre zone d'étude (1 segment de 6 cellules
et 1 segment de 2 cellules), malgré que de très grands feux soient survenus lors de cette
année particulière ailleurs dans le Nord du Québec (Payette et al. 1989). Des feux en 1963
(4 segments de 1 cellule) et 1967 (1 segment de 2 cellules) ont également été confinés à de
petites superficies à cause du manque de combustible. Le seul feu important de la période
1940-1989 est survenu en 1972 dans un secteur où les forêts étaient alors âgées de 50 ans
(feu antérieur en 1922). Cette combinaison particulière de grands feux a occasionné, pour la
période 1940- 1989, une forte survivance des cellules âgées de moins de 50 ans combinée à
une faible survivance des cellules plus âgées (Figures 7h et 9b). Les grands feux du début
du XXe siècle ont donc rencontré peu de résistance à travers les combustibles hérités du
XIXe siècle, mais ils en ont créé pour la propagation des feux subséquents. Même si des
années de sécheresse extrême devaient continuer de survenir à un rythme qui favorise les
très grands feux à répétition, le cycle de feux ne devrait pas s'accélérer de façon marquée en
raison du manque de combustible qui surviendrait.
La plus grande abondance des jeunes peuplements après 1910 a auss i augmenté la
variabilité de l'effet de l'âge du combustible (Figures 8b et 9b). Puisque chaque feu se
comporte différemment selon les conditions météorologiques prévalant avant et pendant sa
propagation (Van Wagner 1977; Stocks 1987, 1989; Tumer et Romme 1994, Arseneault
2001), certains feux survenant sous des conditions de sécheresse très sévères, comme ceux
de 1941 et de 1989, ont probablement été moins dépendants de l'âge des combustibles que
51
les autres feux, même si les jeunes peuplements étaient abondants . En comparaison de la
période 1940-1989, la moins forte influence de l'âge des forêts sur le risque de brûler pour
les périodes de 1920-1969 (c = 2,09), 1930-1979 (c = 3,04),1950-1999 (c = 1,42), et 1960-
2008 (c = 1,71) est redevable aux chevauchements entre les très grands feux de 1941 et
1922 et ceux de 1989 et 1972 (Figures 2). Ces chevauchements ont généré des intervalles
de feux de 15-20 ans dans plusieurs cellules (Figure 6b) et en conséquence une moins forte
survivance des jeunes forêts que pour la période 1940-1989 (Figures 7f, g, i). D'autres
travaux ont suggéré que l'importance du combustible décroît lorsque les conditions
météorologiques sont propices aux feux (Bessie et Johnson 1995, Li et al. 1999, Moritz
2003, Kulakowski et Veblen 2007). La faible variabilité de l'effet de l'âge du combustible
sur le risque de brûler avant 1920 (Figures 8b et 9b) serait redevable à la fréquence
beaucoup moins élevée des peuplements de moins de 50 ans, qui dans ces circonstances ont
eu moins d'influence sur la propagation des feux que par la suite (Figure 6a).
3.3 Limites de notre approche
Dans ce travail, nous avons développé une nouvelle approche pour reconstituer le
patron de chevauchements des feux dans la taïga occidentale du Québec où les feux sont
extrêmement grands et fréquents. Bien que cette approche soit basée sur le recouvrement
linéaire des feux plutôt que sur leur surface, on a pu décomposer le cycle de feux en une
composante spatiale et une composante temporelle, qui sont respectivement la taille des
52
feux (avec une résolution de 2 km) et les intervalles de feux (avec une réso lution annuelle) .
De plus, les interactions entre ces deux composantes ont été considérées pour décrire
l'évolution du risque de brûler en fonction de l'âge des forêts. Notre approche fournit donc
une contribution importante à la compréhension des régimes de feux et de leur variabilité et
de l'impact de ces phénomènes sur la structure des paysages dans la zone boréale puisque, à
l'exception d'une étude menée en Suède (Niklas son et Granstrom 2000), nous ne
connaissons aucune autre étude qui ait pu décomposer le cycle de feux de cette manière
dans la zone boréale.
Notre dispositif d'échantillonnage était dépendant du tracé de la route de la Baie
James qui ne traverse pas le paysage de manière complètement aléatoire. La route évite
généralement les sommets de collines, les lacs et les grandes tourbières. De plus, certains
segments de la route traversent des terrasses fluvioglaciaires de la moraine de Sakami.
Cependant, nous ne croyons pas que la localisation du transect ait eu une influence
déterminante sur la représentativité et la portée de nos résultats. Les variations dans la
forme du relief et la nature des dépôts qui auraient pu influencer la propagation du feu
concernent une échelle spatiale beaucoup plus fine (1 à 10 km2) que la taille des feux (1 à
5000 km2). Dans certains secteurs , il est possible que les feux se soient propagés
différemment selon la distance au tracé de la route et que les îlots épargnés ou que ceux
brûlés sévèrement aient été plus fréquents à proximité qu'à distance de la route, mais il est
peu probable que cela ait affecté la taille des feux le long du transect. Les petits feux ,
correspondant à la taille d'une terrasse fluvioglaciaire (une à deux cellules de longueur; 2-4
53
km) sont possiblement sur-représentés à proximité de la route, malS ces derniers ne
contribuent que très faiblement aux surfaces brûlées en comparaison des feux plus grands
qui ont couvert des milliers de kilomètres carrés (Flannigan et Harrington 1988, Stocks et
al. 2003). Nous croyons que nos résultats sont représentatifs d'un territoire qui s'étend de
part et d'autre de la route à une distance équivalente à la taille des plus grands feux, c'est à
dire environ 100 km.
Malgré que la forêt boréale nord-américaine soit reCOImue pour ses feux de cimes qui
tuent une majorité d'arbres de manière récurrente, notre travail indique que les cicatrices de
feux sont suffisamment fréquentes et anciennes pour permettre la datation de plusieurs feux
successifs à l'échelle de cellules de 2 km2. L'exploration systématique des cellules à partir
de la route de la Baie James a révélé que la plupart des feux ont épargné des arbres et
provoqué la formation de gisements de cicatrices à plusieurs endroits dans chaque cellule
(Figure 1). Des arbres ont probablement été continuellement présents dans les sites propices
à la formation de cicatrices pour enregistrer le passage des nouveaux feux. Ce phénomène
est redevable à la variabilité bien connue de la sévérité des feux selon les milieux (Turner et
al. 1997, Wang 2002, Odion et Hanson 2006) et a l'hétérogénéité de notre territoire d'étude,
surtout composé de petites collines séparées par des milieux qui ralentissent la propagation
des feux, tels que les tourbières et les petits cours d'eau. Les cicatrices les plus anciennes
ont persisté jusqu'à nos jours sur de vieux arbres qui ont survécus à plusieurs feux (arbres à
plusieurs cicatrices) ou sur des chicots et des débris ligneux. Plusieurs spécimens morts,
54
portant jusqu'à 4 cicatrices, étaient complètement calcinés, indiquant qu'ils ont persisté
malgré l'occurrence d'un ou de plusieurs feux après leur mort.
Malgré tout, certains feux n'ont probablement pas été détectés dans certaines cellules
au cours de la période 1810-2008. Ce biais augmente potentiellement en remontant dans le
temps avec la diminution de la proportion de cellules actives; il est potentiellement plus
important pour la période 1800-1849 alors que la proportion de cellules actives oscillait
entre 80 % et 90 % (Tableau 1). Nous pensons toutefois que cette source d'erreur est peu
importante. Premièrement, comme 80 % des cellules étaient actives en 1810 et qu'elles
étaient réparties assez uniformément le long du transect (Figure 2), les grands feux couvrant
plus de 4 ou 5 cellules ont probablement tous été détectés. Aucune série de segments pour
une même année ne suggère que l'étalement d'un grand feu n'aurait été que partiellement
reconstitué sur le transect après 1810. Deuxièmement, puisque les cellules qui ont une
courte période d'activité ont été inspectées intensivement pour trouver des cicatrices de
feux plus anciennes, plusieurs d'entre elles n'ont probablement pas été incendiées au xrxe
siècle. La fréquence des longs intervalles de feux se terminant au xrxe siècle serait alors
légèrement sous-estimée (Figures 8 et 9a).
Une autre limite de notre approche est que la présence ou l'absence des années de
feux ont été compilées pour des cellules de 2 km2. De telles cellules sont très petites par
rapport à la taille des plus grands feux, mais elles sont relativement grandes par rapport à la
55
taille des îlots de forêts qui sont épargnés au sein des feux (Eberhart et Woodward 1987).
Dans notre territoire d'étude, les îlots épargnés sont souvent composés de vielles pessières à
mousses dans des sites à drainage lent ou déficient. Ces sites sont probablement
caractérisés par des intervalles de feux plus longs que ceux que nous avons mesurés à
l'échelle des cellules de 2 km2 (Cyr et al. 2005). Comme notre approche ne considère pas
les peuplements épargnés de moins de 2 km de diamètre, elle résulte en une surestimation
du cycle de feux pour le territoire dans son ensemble, mais cette erreur est probablement
faible parce que les îlots épargnés ne forment qu'une très faible proportion de la surface
totale des feux (Eberhart et Woodward 1987).
La compilation des dates de feux par cellule résulte aussi en une surestimation de la
fréquence des intervalles de feux très comts. Notre approche ne permet pas de voir si des
feux rapprochés dans le temps ont incendié les mêmes cellules sans se recouvrir à cause du
manque de combustible. Par exemple, des vérifications dans deux cellules présentant
chacune des cicatrices de feux en 1939 et en 1941 indiquent que le feu de 1941 n'a pas
recouvert celui de 1939. Malgré de nombreuses cicatrices associées à chacun de ces deux
feux, aucun arbre ne contentait une paire de cicatrices. En revanche, de nombreux arbres
présentaient des paires de cicatrices pour les combinaisons de feux de 1922- 1941 et 1972-
1989, indiquant que les chevauchements apparents à l'échelle des cellules sont réellement
survenus sur le terrain.
CONCLUSION GÉNÉRALE
La présente étude a permis de reconstituer le patron de chevauchements des feux de
forêt dans la taïga occidentale du Québec pour les demiers 200 ans. Elle montre que
plusieurs très grands feux sont survenus dans ce territoire de façon récurrente. Les feux ont
été particulièrement grands au XXe siècle; la distance brûlée entre 1910 et 2008 a été plus
de trois fois plus élevée que pour la période de 1810 à 1909. En comparaison des feux
répertoriés à l'échelle du Canada (Stocks et al. 2003), nos données indiquent que la taïga
occidentale du Québec est très probablement l'un des territoires où l'activité des très grands
feux est des plus importantes dans la zone boréale nord-américaine.
Puisque le nombre d'années de feu par décennie est demeuré stable entre 1810 et
2008, l'accroissement de la taille des feux au début du XXe siècle a eu une incidence
directe sur la valeur du cycle de feux. Alors que le cycle de feux était de près de 100 ans
entre 1810 et 1909, il s'est accéléré autour de 1910-1920 pour s'établir à une valeur
d'environ 50 ans. Cette diminution du cycle de feux au toumant du demier siècle contraste
avec l'augmentation du cycle de feux documentée à la fin du Petit Âge glaciaire dans
d'autres régions de la forêt boréale nord-américaine.
Tous les grands feux du XXe siècle sont survenus lors d'années de sécheresse
extrême. Notre étude illustre donc un processus par lequel des changements climatiques
pourraient se répercuter très rapidement, par l'intermédiaire de quelques années extrêmes de
57
sécheresse et de grands feux, sur la structure et la composition des paysages de la forêt
boréale. En l'espace de quelques décennies, les grands feux de 1922, 1941 et 1989 ont
complètement remodelé la structure de taille des plaques de paysage, la structure d'âge du
paysage et le taux de formation des intervalles de feux courts et ont probablement entraîné
une augmentation généralisée de l'abondance du pin gris aux dépens de l'épinette noire.
La reconstitution des intervalles de feux a permis de constater que le risque de brûler
augmente en fonction du temps depuis le dernier feu pour au moins une cinquantaine
d'années. Cet accroissement du risque de brûler avec le temps depuis le dernier feu reflète
l'accumulation des combustibles après-feu, particulièrement celle des combustibles fins.
L'âge-dépendance a été plus forte au XXe siècle en comparaison au xrxe siècle, en raison
de l'abondance élevée de jeunes peuplements qui possèdent peu de combustible et qui sont,
conséquemment, plus susceptibles de ralentir la propagation des feux. La forte abondance
des jeunes peuplements de même que l'occurrence de quelques années ayant des conditions
météorologiques particulièrement propices aux feux ont également entraîné une plus grande
variabilité de l'âge-dépendance au XXe siècle.
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